I den här intervjun med Dr. Logan Rodriguez Graves får vi lära oss om hur stora, dyra speglar i observatorieteleskop tillverkas, medicinsk bildbehandling och andra saker du kan göra med en examen i optisk vetenskap.

Medicinsk bildbehandling för att diagnostisera tjocktarmscancer

Som student arbetade Graves i en University of Arizona grupp som forskat på nya metoder för att avbilda tjocktarmscancer. Det "traditionella" sättet att avbilda dina inälvor inkluderar vanligtvis att dricka ett kväljande flytande slam som får saker att fluorescera. Fråga mig inte varför jag vet hur det är att dricka det där skräpet.

Forskarna som Graves arbetade med kom på nya sätt att peta runt där utan den drycken. För det första fann de att lesioner och cancervävnad i tjocktarmen kan framhävas genom att slå dem med vissa våglängder av ljus - ingen cocktail behövs.

Graves berättade för oss om annat GI-avbildningsarbete som ett team från University of Arizona utförde som inkluderade Drs. Bhaskar Banerjee och "Ron" Liang. De utvecklat en optisk anordning som kan titta både framåt och bakåt i ett kolon samtidigt. På så sätt kan inga cancermassor gömma sig! Tekniken delades ut till ett företag som heter Omniscient Imaging, Inc.

Optiktrollkarl på forskarnivå

Logan Graves doktorsavhandling handlade om metrologimetoder som användes vid tillverkning och verifiering av enorma speglar. Specifikt hjälpte Graves till att mäta spegelytan som så småningom skulle installeras i Daniel K. Inouye Solar Telescope, eller "DKIST" för kort.

Detta teleskop är satt upp i Maui, Hawaii, och är för närvarande det största solteleskopet i världen. Medan den primära spegeln inuti den nu åtnjuter en tropisk semester, föddes den i ett labb i Arizona.

Det 4.26 meter långa teleskopet är cirka 14 fot i amerikansk tal, eller storleken på en stor utomhusstudsmatta.

Eftersom den här saken bilder solen, några extra tekniska utmaningar var närvarande. Som ni kanske vet är solen väldigt stark. Det är också väldigt varmt. Så för att se till att teleskopet inte förvrids, smälte eller stekte som en myra under ett barns förstoringsglas en solig dag, behövde ett nytt material uppfinnas.

Underlaget för spegeln behövde skapas av något som inte skulle expandera mycket när det träffades av solljus. Det beror på att, även om det inte fattade eld, kan förstoring av för mycket fortfarande förvränga bilden som DKIST fångade. Det var därför SCHOTT klev in och kom upp med ett nytt glaskeramiskt material som kallas ZERODUR®. Dess extremt låga termiska expansionskoefficient är det som gör ZERODUR® speciell.

Varför mätning på en spegel med flera miljoner dollar är så svårt

När Logan Graves kom ombord på DKIST-bygget var designen för teleskopet och det snygga nya materialet redan satt, men tillverkningsmetoderna behövde lite kärlek. När allt kommer omkring var det här som byggdes på väg att bli det största teleskopet i världen i sitt slag!

För att slipa ner spegeln till dess slutliga, polerade form krävdes olika tillverkningssteg. Alla dessa steg krävde mätning. Eftersom materialet skrapas bort måste det finnas ett sätt att kontrollera hur mycket som fortfarande behöver tas av och hur mycket som redan har tagits bort.

Det hela verkar enkelt nog, men eftersom slutapplikationen är ett teleskop för flera miljoner dollar, blir metrologikraven lite svårare. För det första är många miljoner dollar mycket pengar! Så det är bäst att du inte gör några misstag. Inte ett misstag. Inte en enda. Du behöver den du gör för att fungera, till skillnad från högvolymtillverkning där du förväntar dig en procentandel av misslyckanden.

En annan sak att tänka på är att du, som med all precisionsoptik, inte kan röra den. Du kan inte andas på den än mindre dra en mekanisk profilometer över dess yta. Så du måste göra mycket exakta, idiotsäkra mätningar utan att röra spegeln.

För- och nackdelar med interferometri

"Guldstandard" sättet att mäta en spegelyta som denna är med interferometri, vilket är en precisionsmätmetod utan kontakt. På nackdelen är det också extremt dyrt och kräver att du gör en perfekt fysisk referensform. Sedan skulle du mäta delen du skapar och referensformen och skillnaden mellan mätningarna är felet.

Med den konkava DKIST-spegeln var denna process särskilt svår. Det fanns en enorm storlek för en, men också formen var off-axel och parabolisk. Om den utskurna formen istället var sfärisk, så kunde du polera ut den med en snurrande sfär. Men eftersom det är knepigt är det mycket mer komplicerat att tillverka och testa saken.

En annan nackdel med interferometri är att vid mätning av stora ytor kan du vanligtvis inte mäta hela ytan samtidigt. Istället kan du behöva ta flera mått och sy ihop dem. Dessa överlappande områden är benägna att göra fel, och återigen, med widgets för flera miljoner dollar, är felet dåligt.

Ytterligare en nackdel med att uteslutande använda interferometri är att det bara fungerar när formen du mäter är ganska nära referensformen. Så, om du är i de där grova, inledande stadierna av att slipa ner spegeln, kommer interferometri att ha begränsad användbarhet.

Vad är deflektometri?

I motsats till interferometri kan deflektometri användas lättare i början av att skära ut spegeln. Det är också billigare eftersom det inte kräver en referensform för att byggas.

Istället är referensen som används en källa, kanske en digital display, med ett testmönster av kända dimensioner. Om du lyser den källan på spegeln och avbildar reflektionen, kan du se hur spegeln ser ut genom hur bilden blev förvrängd.

Tänk till exempel på en skev funhouse-spegel. Om du ser en bild av dig själv som är 3 fot lång med ett ansikte som är större än din baksida, men du vet att du är 5'10” med en normalstor noggin, kan du se hur den reflekterande ytan böjs ur form. När du väl kommit förbi den initiala chocken kan du se den förvrängda bilden inte som en manglad människa utan som krusningar i aluminiumet.

Om du vill förstå deflektometri djupare och är ett fan av The Matrix, kolla in Graves doktorsavhandlingsförsvar. Han förklarar deflektometri med bilden av de röda och blå pillren som reflekteras i Morpheus solglasögon.

Slipningsfasen

Ett tidigt skede av spegeltillverkningsprocessen är "slipningsstadiet". Det är här som teleskoptomtarna skulle ta spegelytan från att se ut som matt färg på en pimpad åktur till något där du kan börja se en reflektion. Jämfört med det sista poleringssteget är denna del av processen där massor av material skulle skäras bort.

Slipningsprocessen använder en robotarm för att pressa och snurra en slurry som har poleringskorn inblandat. Det ser alldeles för rörigt ut för att kunna göra exakt slipning med, och ändå kunde de med hjälp av IR-deflektometri mäta och övervaka denna grova yta. Interferometri och synlig deflektometri användes också för att bekräfta IR-deflektometrimätningarna.

Genom att använda IR-deflektometri i denna del av processen kunde teamet spara mycket tillverkningstid.

Det var lättare att se var de kunde ta ut stora bitar ur materialet som inte var nära ändytan. Det i sin tur gjorde att DKIST-spegeln kunde tillverkas på lite över ett år, vilket Logan berättar för oss, enligt observatoriska optikstandarder, är förvånansvärt snabb.

"Super smidig spegel"

En "Super Smooth Mirror" är faktiskt en kategori av spegel. Det är något du vet nu. När den högsta nivån av polering var klar hade DKIST-spegeln en grovhet på cirka 19 nm över hela ytan. Om du tittar på avvikelsen över en mindre yta på cirka 2x3 mm, är den ännu lägre vid mindre än 0.7 nm, vilket är lika med "super jämn".

Men vad betyder egentligen en ytråhet på 19nm? Under Graves disputationsförsvar förklarade han att denna avvikelse på 19nm är jämförbar med en topografisk avvikelse mellan två platser i staden som är halva bredden av ett människohår. Så en kulle eller gropar mellan dig och någon punkt flera kilometer bort skulle inte behöva vara högre eller lägre än hälften av ett människohår.

Okej, rekvisita, doktor!

För att kontrollera spegelns yta i slutskedet var inte bara formen utan ytjämnheten viktigt att mäta. Flera typer av deflektometrar och interferometrar användes för att skanna ytan som den sista kontrollen. Sedan korskontrollerades alla dessa mätningar för att säkerställa att de var överens.

Graves som fri-agent optisk vetenskapsman

Sedan examen har Graves varit upptagen med massor av olika projekt. Tillsammans med sin partner, Dr. Isaac Trumper, har han utfört slumpmässigt frilansande optisk ingenjörsarbete på deras företag, Intuitive Optical Design Lab. De har konsulterat om små hårdvarustartprojekt hela vägen för att hjälpa till att utveckla LIDAR-system från grunden.

Över på ELE Optik, han arbetar också på PM-mjukvara för att specifikt ta itu med utmaningar som är involverade i att kommunicera optisk ingenjörsdata. När vi optiska ingenjörer arbetar i ett utvecklingsteam döljs vårt designarbete oavsiktligt undan andra ingenjörer i en svart låda. Det är precis så vår programvara fungerar! Jag är spännande att se vad deras FoU-team kommer fram till i framtiden för att göra detta till ett mindre problem.

Optikforum och podcast

Det finns andra godsaker hos ELE Optics inklusive ett forum för optisk vetenskap och ingenjörsgemenskap. Det här är en utmärkt resurs för att hitta specialister och ställa svårgooglade tekniska frågor om optik och optisk programvara.

Du kan hitta Spotlight -rapport podcast där också, som jag personligen tycker om (och har varit med som gäst). Denna podcast har traditionellt inkluderat intervjuer av mestadels optiknördar men Logan välkomnar alla möjliga ingenjörer som vetenskapsmän som gäster.

Vill du ha vägledning från Dr. Logan Rodriguez Graves? Boka honom på OddEngineer.com!

Om du vill att Logan Graves ska ge dig vägledning för metrologiska metoder för din ansökan kan du boka tid direkt med honom på Odd Engineer På den här länken.

Det finns du behöver inte fråga honom om hans tillgänglighet! Klicka bara på "boka möte" knappen, och boka och betala för vilken tid och dag som helst som fungerar för dig. Om du behöver honom för att underteckna en NDA för ditt möte kan du ladda upp en signerad kopia när du bokar. Du kommer sedan att få ett e-postmeddelande med en Zoom-möteslänk.

Hela intervjun med Dr. Logan Graves på Odd Engineer Podcast

Vill du höra den långa, oförkortade versionen av denna intervju? Kolla upp Odd Engineers podcast för råd och mer information om metrologimetoder och DKIST-projektet.